JPH11305159A

JPH11305159A - 微小揺動ミラー素子及びこれを用いたレーザ走査装置

Info

Publication number: JPH11305159A
Application number: JP12278298A
Authority: JP
Inventors: Tadao Iwaki; 岩城　　忠雄; Kimio Komata; 公夫小俣
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1999-11-05
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JP3023674B2

Abstract

(57)【要約】【課題】微小揺動ミラー、一対の固定電極板、及び一
対のミラー受が半導体基板上に微細加工技術によって形
成された微小揺動ミラー素子を用いたレーザ走査装置を
提供すること。【解決手段】微小揺動ミラー、一対の固定電極板、及
び一対のミラー受が半導体基板上に微細加工技術によっ
て形成された半導体の微小揺動ミラー素子１、半導体レ
ーザ２、及び集光用微小レンズ３をベース基板４上に取
り付けて構成した微小揺動ミラーモジュールをレ−ザ光
の出射窓を有する真空容器９に封入し、且つ周期的に変
化する駆動電圧であって最大値と最小値の間を時間と共
に非線形関数的に下降し次いで上昇する非線形波形の電
圧で駆動して、微小揺動ミラーの変位角が時間に対して
直線的に変化するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、揺動電極板部とミ
ラー部からなる微小揺動ミラー、前記揺動電極板部との
間に静電気力を発生するようにその左右に対称的に配置
された一対の固定電極板、及び前記微小揺動ミラーのス
トッパー並びにその帯電電荷を除去するアース部材とし
て機能するようにその左右に対称的に配置された一対の
ミラー受が半導体基板上に微細加工技術によって形成さ
れた半導体の微小揺動ミラー素子、及びこの微小揺動ミ
ラー素子を用いて構成したレーザ走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複写機やプリンタ等のレーザ走査装置と
しては、ポリゴンミラーやガルバノミラーを用いたレー
ザ走査装置が一般的である。図１２は従来のポリゴンミ
ラー装置を用いた光走査系の一例を示すもので、高速回
転するスピンドルモータ４３で駆動されるポリゴンミラ
ー４２は、半導体レーザ４１からのレーザ光を反射して
所定の角度だけ繰り返し偏向する。ポリゴンミラー４２
で反射されたレーザ光は、集光レンズ４４と４５を通過
した後、反射ミラー４６で偏向されて感光ドラム４７上
に焦点を結ぶ。ポリゴンミラー装置は構造的に強固で且
つ動作も安定しているが問題がある。この問題は、ガル
バノミラーを用いたレーザ走査装置にも共通なものであ
る。即ち、一般にレーザ走査装置にはジッタ等の機械的
な非同期動作が生じるが、ポリゴンミラーやガルバノミ
ラーは慣性が大きいために、ジッタ等の機械的な非同期
動作を電気信号の調整で解消することが困難であり、モ
ータの質量バランスを厳密に調整することによって行わ
ざるを得ず、このため装置が大型になってしまうことで
あり、且つ上記バランス調整は容易ではないという問題
である。

【０００３】そこで、プロジェクタの反射ミラーとして
実用化されている微小揺動ミラー素子を用いた光偏向装
置を、複写機やプリンタの光走査系に利用して小型化を
図ることが提案されたが、いまだに実用化されていな
い。その理由は、この従来の微小揺動ミラー素子を用い
た光偏向装置はミラーの変位角が時間に対して非直線的
に変化する非線形応答を行うということである。即ち図
１３において、駆動電圧はその上段に示す如く矩形波パ
ルス電圧であり、ミラーの変位角はその下段に示す如く
最大値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し
次いで上昇する繰り返し波形、即ち三角波が歪んだよう
な繰り返し波形となっている。微小揺動ミラー素子をア
レイ上に配置して投影画像をスクリーンに投影すること
を目的としたものであるために、従来はミラーの変位角
を時間に対して直線的に変化させる必要はなかったので
ある。ここに微小揺動ミラー素子とは、例えばテキサス
・インスツルメンツ社によって開発されたカンチレバー
ビーム型偏向ミラーデバイス（ＣＢ−ＤＭＤ）のことで
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、揺動電極板部とミラー部とからなる微小揺動ミラ
ー、前記揺動電極板部との間に静電気力を発生するよう
にその左右に対称的に配置された一対の固定電極板、及
び前記微小揺動ミラーのストッパー並びに帯電電荷除去
部材として機能するようにその左右に対称的に配置され
た一対のミラー受が半導体基板上に微細加工技術によっ
て形成された半導体の微小揺動ミラー素子において、前
記微小揺動ミラーの変位角が時間に対して直線的に変化
するように駆動することである。解決しようとする他の
課題は、前記微小揺動ミラー素子を用いたレーザ走査装
置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、揺動電極板部とミラー部とからなる微小揺動ミラ
ー、前記揺動電極板部との間に静電気力を発生するよう
にその左右に対称的に配置された一対の固定電極板、及
び前記微小揺動ミラーのストッパー並びに帯電電荷除去
部材として機能するようにその左右に対称的に配置され
た一対のミラー受が半導体基板上に微細加工技術によっ
て形成された半導体の微小揺動ミラー素子を、周期的に
変化する駆動電圧であって最大値と最小値の間を時間と
共に非線形関数的に下降し次いで上昇する非線形波形の
電圧で駆動して、微小揺動ミラーの変位角が時間に対し
て直線的に変化するようにした。

【０００６】レーザ走査装置を、揺動電極板部とミラー
部とからなる微小揺動ミラー、前記揺動電極板部との間
に静電気力を発生するようにその左右に対称的に配置さ
れた一対の固定電極板、及び前記微小揺動ミラーのスト
ッパー並びに帯電電荷除去部材として機能するようにそ
の左右に対称的に配置された一対のミラー受が半導体基
板上に微細加工技術によって形成された半導体の微小揺
動ミラー素子、レーザ光を発生する半導体レーザ、及び
前記微小揺動ミラー素子と前記半導体レーザとの間に配
置された集光用微小レンズをベース基板上に取り付けて
構成し、周期的に変化する駆動電圧であって最大値と最
小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次いで上昇
する非線形波形の電圧で駆動して、微小揺動ミラーの変
位角が時間に対して直線的に変化するようにした。

【０００７】前記レーザ走査装置において、微小揺動ミ
ラー素子、半導体レーザ、及び集光用微小レンズをベー
ス基板上に取り付けてモジュール化し、且つ出射窓を有
する１つの真空容器に封入して、ミラーの揺動動作の効
率を高めた。前記微小レンズの焦点面が前記微小揺動ミ
ラーで反射された後の光路上に形成されるように位置づ
けて、微小揺動ミラー素子、半導体レーザ及び微小レン
ズをベース基板上に配置することよって、コリメータレ
ンズの設計を容易にし、更に関連する光学系の制約を少
なくした。前記半導体レーザの出射端面の反対側のベー
ス基板上に、フォトダイオードを配置して出力光強度の
モニターを容易に行うようにした。

【０００８】前記周期的に変化する駆動電圧を、最大値
と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次いで
上昇するアナログ的な非線形波形の電圧とすることによ
って、１ｋＨｚ程度の低速で走査する場合に対応できる
ようにした。更に、前記周期的に変化する駆動電圧を、
最大値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し
次いで上昇するアナログ的な非線形波形の電圧でパルス
振幅変調されて得られたものと同一のデジタル的な非線
形波形の電圧とすることによって、１００ｋＨｚ程度ま
での高速で走査する場合に対応できるようにした。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明に係る微小揺動ミラー素子
は、図１にその主要部の構成を且つ図２にその全体の概
要を示す通り、ベース基板４の上に微小揺動ミラー素子
１、レーザ光を発生する半導体レーザ２、及び微小揺動
ミラー素子１と半導体レーザ２との間に配置された集光
用微小レンズ３の少なくとも３つの構成要素を取り付け
て、出射窓Ｗを有する１つの真空容器９に封入して構成
したものである。

【００１０】即ち、ベース基板４の上にはミラー台６と
レーザ台８が形成され、ミラー台６の上には微小揺動ミ
ラー素子１が取り付けられ、レーザ台８の上には半導体
レーザ２が取り付けられている。ミラー台６は所定の角
度を有する断面が三角形の部材であり、半導体レーザ２
から集光用微小レンズ３を経て入射された入射光Ｐを微
小揺動ミラー素子１が所定方向に反射するように、従っ
て反射光Ｒが出射窓Ｗから真空容器９の外に適切に出射
するように前記角度は定められている。出力光強度のモ
ニター用フォトダイオード５は、半導体レーザ２の出射
口の反対側に配置されレーザ台８の上に取り付けられて
いる。

【００１１】微小揺動ミラー素子１は、図３ないし図４
に示す如く、ミラー支柱１２を介してシリコン基板１０
に揺動可能に取り付けられた微小揺動ミラー１１、ミラ
ー支柱１２の左右に対称的に配置された一対の固定電極
板１６ａと１６ｂ、及び前記ミラー支柱の左右に前記固
定電極板よりも外側に左右に対称的に配置された一対の
ミラー受１８ａと１８ｂとから構成されている。

【００１２】微小揺動ミラー素子１はシリコンの異方性
エッチングを用いた微細加工技術によって作製されたも
ので、シリコン基板１０の上にはヒンジ台１５ａと１５
ｂ、前記ヒンジ台の左右に対称的に配置された電極支柱
１７ａと１７ｂ、及びその外側に対称的に配置されたミ
ラー受台１９ａと１９ｂがそれぞれ形成され、更にヒン
ジ台１５ａと１５ｂの上にはヨーク１３を揺動可能に支
持するヒンジ１４ａと１４ｂが、電極支柱１７ａと１７
ｂの上には薄膜板の固定電極板１６ａと１６ｂが、及び
ミラー受台１９ａと１９ｂの上にはミラー受１８ａと１
８ｂがそれぞれ形成されて作製されたものである。

【００１３】図４はヨーク１３、ヒンジ１４ａと１４ｂ
及びヒンジ台１５ａと１５ｂの具体的な構造を示す。ミ
ラー支柱１２がその上に形成される方形薄板のヨーク１
３は、ヒンジ台１５ａと１５ｂにそれぞれ固定された一
対の細長い薄板のヒンジ１４ａと１４ｂによって、これ
らを結ぶ線即ち揺動軸上で揺動可能にして支持されてい
る。ヨーク１３とヒンジ１４ａと１４ｂは、弾性の大き
な金属材料、例えばアモルファスアルミニウムなどによ
って一体に形成されている。ヒンジ１４ａと１４ｂはヨ
ーク１３に比べて揺動軸に沿って細く形成されており、
ねじれ易く且つ弾性回復し易い構造となっている。ヨー
ク１３とヒンジ１４ａと１４ｂの厚みは１〜１００μｍ
程度である。ヨーク１３、ヒンジ１４ａと１４ｂ及びヒ
ンジ台１５ａと１５ｂは駆動電圧を揺動電極と固定電極
に供給する回路の一部を構成している。

【００１４】微小揺動ミラー１１は、揺動電極板部が下
側に且つミラー部が上側にそれぞれ形成された方形薄板
の部材である。微小揺動ミラー１１は、一対の固定電極
板１６ａと１６ｂと平行に且つ方形薄板のヨーク１３と
対角線を交差させて、その中心部で弾力性のあるミラー
支柱１２によって支持されている。そしてミラー支柱１
２は、ヒンジ台１５ａと１５ｂと一対の弾力性のあるヒ
ンジ１４ａと１４ｂによって揺動可能にして支えられて
いるヨーク１３上に形成されている。従って微小揺動ミ
ラー１１は、一対の細長い薄板のヒンジ１４ａと１４ｂ
を結ぶ線を揺動軸として、一つの対角線に沿った揺動が
可能となっている。微小揺動ミラー１１の大きさは揺動
周波数に依存するが２０〜５００μｍ角程度、ミラー支
柱の高さは１〜１０μｍ程度である。

【００１５】微小揺動ミラー１１とミラー受１８ａと１
８ｂは、弾力性のあるゲルマニウムなどを添加したアモ
ルファスアルミニウムなどによって形成されている。ミ
ラー支柱１２、ヒンジ台１５ａと１５ｂ、電極支柱１７
ａと１７ｂ、及びミラー受台１９ａと１９ｂは、リンや
ボロンを注入又は拡散させて導電性を高めたシリコンで
形成されている。ミラー受１８ａと１８ｂは、微小揺動
ミラー１１の揺動端部を受けるストッパーとして機能す
ると共に、微小揺動ミラー１１上に帯電した電荷をミラ
ー受台１９ａと１９ｂを介して除去する帯電電荷除去部
材として機能する。ミラー受台１９ａと１９ｂはアース
されている。ミラー受１８ａと１８ｂは微小揺動ミラー
１１と同質の材料で構成されているので、微小揺動ミラ
ー１１がミラー受に衝突するときの両部材間の摩耗を最
小にすることができた。

【００１６】微小レンズ３は、その焦点面が微小揺動ミ
ラー素子１で反射された後の光路上に形成されるような
位置にして、微小揺動ミラー素子１と半導体レーザ２の
間に配置されている。即ち図１及び図５Ａと５Ｂに示す
如く、微小レンズ３で集光され入射されたレーザ光は、
微小揺動ミラー素子１の微小揺動ミラー１１で反射され
た後の光路上に焦点Ｆを結んでいる。このようにするこ
とによって、走査後の光をコリメートする場合に、コリ
メータレンズからより近い位置に焦点面が存在するよう
になり、従ってコリメータレンズの設計が容易になると
同時に、それ以外の光学系の制約が少なくなるという利
点がある。

【００１７】本発明の好ましい実施例において、微小揺
動ミラー素子は、図２に示す如く出射窓Ｗを有する真空
容器９内に収納されている。このようにすることによっ
て微小揺動ミラー１１は空気抵抗を受けなくなり、１〜
１００ｋＨｚという高速振動を行っても空気抵抗による
エネルギー損失の発生がなく、従って微小揺動ミラー素
子１の動作が効率的になった。真空容器９はアルミニウ
ムやセラミックスで形成したものである。真空容器９内
のガス圧は０．２気圧程度以下であれば十分に特性を発
揮できるが、０．１気圧以下にするのが望ましい。ま
た、容器９内を真空に保つとともに、アルゴンガスや窒
素ガスなどの非酸化性ガスに置換した状態にすること
で、より長寿命化を図ることができる。真空容器９のシ
ールは、ハーメチックシールなどの蝋付け技術が用いら
れる。

【００１８】上述した如く、微小レンズ３で集光され入
射されたレーザ光は微小揺動ミラー素子１の微小揺動ミ
ラー１１で反射された後の光路上であって、微小揺動ミ
ラー１１から一定の所定距離の球面上に焦点面Ｆを形成
する。微小揺動ミラー素子１で反射されたレーザ光の出
射口となる出射窓Ｗは、この焦点面Ｆに概ね平行にして
真空容器９に形成されている。出射窓Ｗは、実用的に
は、走査されるレーザ光の最大反射光と最小反射光との
中点を形成する反射中心Ｑに垂直に配置した透明板、例
えばアクリルやポリカーボネートなどの高分子材料やガ
ラスの透明板を用いて形成する。また、出射窓Ｗの両
面、少なくとも一方の面には使用波長に対応した無反射
コーティングを施し、表面での反射損失を低減させてい
る。

【００１９】微小揺動ミラー素子１の駆動電圧供給回路
は、微小揺動ミラー１１の揺動電極板の構造によって方
式が異なる。即ち図６は、１つの揺動電極板部１１ｅと
１つのミラー部１１ｍとから構成された微小揺動ミラー
１１を有する微小揺動ミラー素子１の駆動電圧供給回路
である。図７との違いを明確にするために揺動電極板部
１１ｅとミラー部１１ｍは別々の部材で形成しているよ
うに示してあるが、本発明の一実施例においては揺動電
極部とミラー部はアモルファスアルミニウムで一体に形
成された部材である。図６において、揺動電極板部１１
ｅは線Ｌｅを経て、また固定電極板１６ａと１６ｂは線
ＬａとＬｂを経て駆動回路２０にそれぞれ接続されてい
る。ミラー受１８ａと１８ｂは線Ｌを経てアースされて
いる。駆動電圧は、一方の固定電極板と揺動電極板部と
は同極性に、且つ他方の固定電極板と揺動電極板部とは
逆極性になるようにして、駆動回路２０から揺動電極板
部１１ｅと一対の固定電極板１６ａと１６ｂに供給され
る。

【００２０】図７は、アモルファスアルミニウムで形成
された一対の揺動電極板部１１ｅａと１１ｅｂ及び非導
電性材料で形成された１つのミラー部１１ｍとからなる
微小揺動ミラー１１を有する微小揺動ミラー素子１の駆
動電圧供給回路である。図７において揺動電極板部１１
ｅａと１１ｅｂは線ＬｅａとＬｅｂを経て、また固定電
極板１６ａと１６ｂは線ＬａとＬｂを経て駆動回路２０
にそれぞれ接続されている。ミラー受１８ａと１８ｂは
線Ｌを経てアースされている。駆動電圧は、少なくとも
一方の固定電極板と一方の揺動電極板部とは同極性に、
且つ他方の固定電極板と他方の揺動電極板部とは逆極性
になるようにして、駆動回路２０から一対の揺動電極板
部１１ｅａと１１ｅｂと一対の固定電極板１６ａと１６
ｂに供給される。

【００２１】駆動回路２０から駆動電圧が印加される
と、揺動電極板部と固定電極板との間には電界が発生
し、同極性の揺動電極板部と固定電極板との間には静電
気による吸引力が同時に逆極性の揺動電極板部と固定電
極板との間には静電気による反発力がそれぞれ発生す
る。これらの静電気による吸引力と反発力によってトル
クが発生し、微小揺動ミラー１１を支点Ｚ上で回動さ
せ、逆極性の固定電極の方に傾斜させる。支点Ｚは、図
２においては、一対のヒンジ１４ａと１４ｂが形成する
揺動軸である。前記電界は揺動電極板部と固定電極板と
の距離、及び揺動電極板部の表面に誘起される表面電荷
の分布に依存し、そして前記トルクはこの電界の大きさ
と微小揺動ミラー１１の面積要素によって定まるもので
ある。一般に、電極への印加電圧が一定であれば、微小
揺動ミラー１１が傾斜して距離が小さくなった揺動電極
板部と固定電極板との間の電界強度は距離が小さくなる
に従って増加し、その結果、揺動電極板部と固定電極板
との間の吸引力、従って微小揺動ミラー１１に働く力は
距離が小さくなるに従って強くなる。そして、揺動電極
板部の表面に誘起される表面電荷の分布状態も変化し
て、より距離の小さい部分即ち固定電極板との間隔の狭
い部分に集中する傾向がある。このため、微小揺動ミ
ラー１１の傾斜の大きさ、従ってミラー変位角は、時間
の２乗以上の大きな指数をもって変化する。

【００２２】一対のヒンジ１４ａと１４ｂが形成する揺
動軸上で回動し続けた微小揺動ミラー１１は、ミラー受
１８ａと１８ｂの一方、即ち逆極性の駆動電圧を印加さ
れた固定電極板側のミラー受に衝突して停止する。ミラ
ー受１８ａと１８ｂは、ミラー受台１９ａと１９ｂを介
してアースされているので、微小揺動ミラー１１の表面
に帯電した電荷は、この衝突によって瞬時に完全に除去
される。一対のヒンジ１４ａと１４ｂとミラー支柱１２
は弾性の大きなアモルファスアルミニュウムで形成され
ているので、表面電荷が除去されると微小揺動ミラー１
１はこれらの部材の弾性によって元の位置に復帰する。
なお、本実施例においては、揺動電極板部１１ｅとミラ
ー部１１ｍとは、共通の導電性材料、例えばアルミニウ
ムなどで構成してもよい。

【００２３】本発明に係る微小揺動ミラー素子を備えた
レーザ走査装置において、周期的に変化する駆動電圧
は、図８の上段に示す如く最大値と最小値の間を時間と
共に非線形関数的に下降し次いで上昇するアナログ的な
非線形電圧、又は図９の上段に示す如く最大値と最小値
の間を時間と共に非線形関数的に下降し次いで上昇する
アナログ的な非線形電圧でパルス振幅変調されて得られ
たものと同一のデジタル的な非線形電圧とした。前者は
１ｋＨｚ程度の低速で走査する場合、後者は１００ｋＨ
ｚ程度までの高速で走査する場合に適している。周期的
に変化する駆動電圧をこのような非線形電圧とすること
によって、本発明に係るレーザ走査装置におけるミラー
変位角は、図８又は図９のそれぞれの下段に示す如く、
時間と共に直線的に変化するようになった。このような
非線形の駆動電圧を印加してミラー変位角の直線性のよ
い動作を実現できたのは、微小揺動ミラー素子の微小揺
動ミラー１１が２０から２００μｍ角というサイズも慣
性も小さいものであるからである。

【００２４】図８又は図９に示す非線形電圧の波形の非
線形関数は、ミラー変位角が時間と共に直線的に変化す
るように実験的に求める。ミラー変位角は、実際のレー
ザ光の走査角度から直接求める。図８から分かるよう
に、駆動電圧の周期位相はミラー変位角の周期位相より
も若干遅れている。このときの図８におけるａ、ｂ、ｃ
及びｄ、並びに位相のずれ時間は実験的に求める。図８
に示す如き非線形波形の駆動電圧は、例えば図１３の上
段に示す矩形波パルスを非線形回路を通過させることに
よって得られる。しかしながら、揺動周波数が大きくな
るにつれて、図８に示す如きアナログ的な波形制御は実
現するのが困難であり、実現するにしても回路が複雑に
なる。１００ｋＨｚまでの高速走査に対応させるには、
図９の上段に示す如きデジタル的な波形制御が適してい
る。図９の駆動電圧は、図８のアナログ的な非線形電圧
でパルス振幅変調されて得られたものと同一のデジタル
的な非線形電圧であるが、このようなデジタル的な電圧
はデジタル演算素子を用いることによって、容易に実現
できる。なお、図９におけるａ、ｂ、ｃ及びｄ、並びに
位相のずれ時間は実験的に求める。また、微小揺動ミラ
ーの揺動の１周期変位中の駆動電圧のサンプリング数
は、ミラー変位角の時間的変化の直線性が保てる程度に
十分に大きなものとした。

【００２５】

【実施例】図１０は、微小揺動ミラーモジュール、即ち
微小揺動ミラー素子１、半導体レーザ２及び集光用微小
レンズ３を所定の配置関係にして構成した微小揺動ミラ
ーモジュール２１を用いて構成したレーザプリンタの概
要、特にそのレーザ走査光学系を示すものである。図１
０において、微小揺動ミラーモジュール２１から走査出
力されたレーザ光は、コリメータレンズ２２でコリメー
トされて平行光に変換され、集光レンズ２３とｆθレン
ズ２４とによって感光ドラム２５上に集光照射される。
このような構成であるために、微小揺動ミラーモジュー
ルを用いたレーザプリンタは、前記コリメータレンズ２
２が図２に示すような広い焦点面からの出射光に対応し
てコリメートできるものでなければならないが、従来の
ポリゴンミラーを用いたレーザプリンタに比べると、大
きなポリゴンミラー及びモータは勿論のこと一対のシリ
ンドリカルレンズも不要となるので、装置の小型化を図
ることができるという大きな利点を有する。なお、上記
微小揺動ミラーモジュールには、駆動回路２０が含まれ
てもよい。また、従来装置に用いられている前記一対の
シリンドリカルレンズは、ポリゴンミラー上で一様な反
射を得ると同時に、ポリゴンミラーからの反射光を元の
コリメートされた光に変換させるためのレンズである。

【００２６】図１１は、微小揺動ミラー素子１、半導体
レーザ２及び集光用微小レンズ３を所定の配置関係にし
て構成した微小揺動ミラーモジュール３１とポリゴンミ
ラーとを組み合わせて構成した二次元方向のレーザ走査
装置の光学系を示すものである。図１１において、微小
揺動ミラーモジュール３１から垂直方向に走査出力され
たレーザ光はコリメータレンズ３２と集光レンズ３３を
経てポリゴンミラー３４の鏡面に入射して反射され、集
光レンズ３６と３７を経て、例えば光書込型空間光変調
器３８に到達する。ポリゴンミラー３４はモータ３５に
よって水平方向に回転駆動されているので、光書込型空
間光変調器３８に到達したレーザ光は垂直方向と水平方
向の走査が組み合わされた二次元方向に走査されたレー
ザ光となる。このような構成の微小揺動ミラーモジュー
ル３１とポリゴンミラーとを用いた二次元方向のレーザ
走査装置によれば、高分解能の画像を高速に形成するこ
とができるために、例えばその画像を光書込型空間光変
調器に書き込み、並列的な光学処理を施すことにより、
光学的なパターン認識や種々の画像処理を高速で行うこ
とが可能である。

【００２７】なお、本発明に係る微小揺動ミラー素子１
を用いたレーザ走査装置は、上述の実施例ではいずれも
一次元方向の走査を行うものであったが、二次元的な走
査も可能である。即ち、本発明に係る微小揺動ミラー素
子１を２個用い、１個はｘ方向の走査に、且つ他の１個
はｙ方向の走査に用いるようにレーザ光学系を構成する
ことによって二次元的な走査を行うレーザ走査装置を実
現できる。また、本発明に係る微小揺動ミラー素子１を
駆動する駆動電圧、即ち周期的に変化する電圧であって
最大値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し
次いで上昇する非線形波形の駆動電圧を形成する図６な
いし図７の駆動回路２０は、その全部または一部を微小
揺動ミラー素子１のシリコン基板１０内に形成されたト
ランジスタ等の基本回路素子で構成することも可能であ
る。

【００２８】

【発明の効果】本発明に係る微小揺動ミラー素子は、揺
動電極板部とミラー部とからなる微小揺動ミラー、一対
の固定電極板、及び一対のミラー受が半導体基板上に微
細加工技術によって形成され、且つ周期的に変化する駆
動電圧であって最大値と最小値の間を時間と共に非線形
関数的に下降し次いで上昇する非線形波形の電圧で駆動
するようにしたものであるから、従来の微小揺動ミラー
素子と異なり、微小揺動ミラーの変位角が時間に対して
直線的に変化するようになった。従って、このような優
れた特性を有する微小揺動ミラー素子を用いた本発明に
係るレーザ走査装置は、装置の小型化と低価格化、走査
の高速化を実現できた。微小揺動ミラー素子１、半導体
レーザ２及び集光用微小レンズ３を所定の配置関係にし
てモジュール化し、レーザ走査光の出射窓を有する真空
容器に封入したので、ミラーの揺動動作の効率が高まっ
たので高速且つ安定な走査が実現できた。更に、ミラー
変位角を全て電気的に実現することができるので、ポリ
ゴンミラーやガルバノミラーを用いた従来のレーザ走査
装置に比べると、調整が非常に容易になった。更にま
た、本発明に係る微小揺動ミラー素子は、小型、ミラー
変位角の調整が容易、ミラー変位角の時間的変化の直線
性が良好等の数々の特長を備えているので、レーザプリ
ンタ、レーザレーダ、光画像入力システム、その他の多
くの装置やシステムへの応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】微小揺動ミラー素子を用いたレーザ走査装置の
主要部の斜視図である。

【図２】微小揺動ミラー素子のを用いたレーザ走査装置
の概要図である。

【図３】微小揺動ミラー素子の側面図である。

【図４】微小揺動ミラー素子のヒンジとヨークの斜視図
である。

【図５Ａ】微小揺動ミラー素子に対する入射光と反射光
の光路を示す図である。

【図５Ｂ】微小揺動ミラー素子に対する入射光と反射光
の光路を示す図である。

【図６】微小揺動ミラー素子の駆動電圧供給回路の一例
を示す図である。

【図７】微小揺動ミラー素子の駆動電圧供給回路の他の
一例を示す図である。

【図８】微小揺動ミラー素子の駆動電圧とミラー変位角
の時間的変化の一例を示す図である。

【図９】微小揺動ミラー素子の駆動電圧とミラー変位角
の時間的変化の他の一例を示す図である。

【図１０】微小揺動ミラー素子を用いたレーザプリンタ
の一例の概要図である。

【図１１】微小揺動ミラー素子とポリゴンミラー装置を
組み合わせて構成した二次元レーザ走査装置の一例の概
要図である。

【図１２】従来のポリゴンミラー装置の一例の概要図で
ある。

【図１３】従来の微小揺動ミラー素子の駆動電圧とミラ
ー変位角の時間的変化の一例を示す図である。

【符号の説明】

１微小揺動ミラー素子２半導体レーザ３集光用微小レンズ４ベース基板５フォトダイオード６ミラー台７微小レンズ台８レーザ台９真空容器１０シリコン基板１１微小揺動ミラー１１ｅ，１１ｅａ，１１ｅｂ揺動電極板１１ｍ微小揺動ミラー板１２ミラー支柱１３ヨーク１４ａ，１４ｂヒンジ１５ａ，１５ｂヒンジ台１６ａ，１６ｂ固定電極板１７ａ，１７ｂ電極支柱１８ａ，１８ｂミラー受１９ａ，１９ｂミラー受台２０駆動回路２１微小揺動ミラーモジュール２２コリメータ２３集光レンズ２４ｆθレンズ２５感光ドラム３１微小揺動ミラーモジュール３２コリメータ３３集光レンズ３４ポリゴンミラー３５モータ３６，３７集光レンズ３８光書込型空間光変調器４１半導体レーザ４２ポリゴンミラー４３モータ４４，４５集光レンズ４６反射ミラー４７感光ドラムＦ焦点面Ｌ，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｅ，Ｌｅａ，Ｌｅｂ線Ｐ入射光Ｑ反射中心Ｒ反射光Ｗ出射窓Ｚ支点

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年７月２３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００３

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００３】そこで、プロジェクタの反射ミラーとし
て実用化されている微小揺動ミラー素子を用いた光偏向
装置を、複写機やプリンタの光走査系に利用して小型化
を図ることが提案されたが、未だに実用化されていな
い。微小揺動ミラー素子が反射ミラーとして用いられて
いるプロジェクタにおいては、図１３に示す如く、矩形
波パルス電圧で駆動されるためにミラーの変位角が非直
線的であり、従って直線的な変位角が要求される光偏向
装置には利用できないことである。また、特開平４−２
３０７２３号公報は、ランディング電極を有する空間光
変調器において、微小揺動ミラーの複数電極に印加する
デジタル電圧の組合わせを適切に選ぶことによりミラー
に働くトルクを一定にする駆動方法が開示されている。
この駆動方法で駆動された微小揺動ミラー素子を用い、
且つ走査光源のレーザの発光時間間隔を非線形に変化さ
せる光源駆動方式と組合わせることで、結果として感光
体上で走査光が一定距離間隔ではあるが直線的に走査さ
れることが可能であり、微小揺動ミラー素子を用いた光
偏向装置は実現可能ではある。しかしながら、このよう
な光偏向装置は駆動方式が複雑な上に、長い走査距離に
おいては精密な直線性を得ることが困難であるという問
題がある。例えば、Ａ４サイズの長さであればスポット
ずれがスポット径の１／３に相当する３０μｍ以下の精
密な直線性を得ることが困難である。また、電極構造も
複雑になるという問題もある。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２８】

【発明の効果】本発明に係る微小揺動ミラー素子は、
揺動電極板部とミラー部とからなる微小揺動ミラー、一
対の固定電極板、及び一対のミラー受が半導体基板上に
微細加工技術によって形成され、且つ周期的に変化する
駆動電圧であって最大値と最小値の間を時間と共に非線
形関数的に下降し次いで上昇する非線形波形の電圧で駆
動するようにしたものであるから、微小揺動ミラーの変
位角が時間に対して直線的に変化するようになった。こ
のため、このような方式で駆動された微小揺動ミラー素
子を用いて構成したレーザ走査装置においては、複雑な
電極構造を採用したり、或いはレーザの発光時間間隔を
非線形に変化させる必要が全くなくなった。しかも、長
い走査距離において精密な直線性を得ることが可能にな
った。また、微小揺動ミラー素子、半導体レーザ及び集
光用微小レンズを所定の配置関係にしてモジュール化
し、レーザ走査光の出射窓を有する真空容器に封入した
ので、ミラーの揺動動作の効率が高まった。更に、ミラ
ーの変位角を全て電気的に実現することができるので、
調整が非常に容易になった。要するに、本発明により、
装置の小形化と低価格化、走査の高速化と長い走査距離
までも保持された精密な直線性、取り扱いの利便性等が
図られ、且つレーザプリンタ、レーザレーダ、光画像入
力システム等の様々な装置に応用可能な微小揺動ミラー
素子を用いたレーザ走査装置が提供された。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】揺動電極板部とミラー部からなる微小揺
動ミラー、前記揺動電極板部との間に静電気力を発生す
るようにその左右に対称的に配置された一対の固定電極
板、及び前記微小揺動ミラーのストッパー並びにその帯
電電荷を除去するアース部材として機能するようにその
左右に対称的に配置された一対のミラー受が半導体基板
上に微細加工技術によって形成された半導体の微小揺動
ミラー素子において、周期的に変化する駆動電圧であっ
て最大値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降
し次いで上昇する非線形波形の駆動電圧が前記揺動電極
板部及び一対の固定電極板に与えられることによって、
前記微小揺動ミラーの変位角が時間に対して直線的に変
化することを特徴とする微小揺動ミラー素子。
【請求項２】前記周期的に変化する駆動電圧は、最大
値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次い
で上昇するアナログ的な非線形波形の電圧であることを
特徴とする請求項１の微小揺動ミラー素子。
【請求項３】前記周期的に変化する駆動電圧は、最大
値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次い
で上昇するアナログ的な非線形波形の電圧でパルス振幅
変調されて得られたものと同一のデジタル的な非線形波
形の電圧であることを特徴とする請求項１の微小揺動ミ
ラー素子。
【請求項４】揺動電極板部とミラー部からなる微小揺
動ミラー、前記揺動電極板部との間に静電気力を発生す
るようにその左右に対称的に配置された一対の固定電極
板、及び前記微小揺動ミラーのストッパー並びにその帯
電電荷を除去するアース部材として機能するようにその
左右に対称的に配置された一対のミラー受が半導体基板
上に微細加工技術によって形成された半導体の微小揺動
ミラー素子、レーザ光を発生する半導体レーザ、及び前
記微小揺動ミラー素子と前記半導体レーザとの間に配置
された集光用微小レンズをベース基板上に取り付けて構
成したレーザ走査装置において、周期的に変化する駆動
電圧であって最大値と最小値の間を時間と共に非線形関
数的に下降し次いで上昇する非線形波形の電圧が前記揺
動電極板部及び一対の固定電極板に与えられることによ
って、前記微小揺動ミラーの変位角が時間に対して直線
的に変化すること特徴とする微小揺動ミラー素子を用い
たレーザ走査装置。
【請求項５】前記微小揺動ミラー素子、レーザ光を発
生する半導体レーザ、及び前記微小揺動ミラー素子と前
記半導体レーザとの間に配置された集光用微小レンズを
ベース基板上に取り付け且つ出射窓を有する１つの真空
容器に封入して構成したことを特徴とする請求項４の微
小揺動ミラー素子を用いたレーザ走査装置。
【請求項６】前記微小レンズの焦点面が前記微小揺動
ミラーで反射された後の光路上に形成されるように位置
づけられて、前記微小揺動ミラー素子、半導体レーザ及
び微小レンズがベース基板上に配置されていることを特
徴とする請求項４の微小揺動ミラー素子を用いたレーザ
走査装置。
【請求項７】前記半導体レーザの出射口の反対側のベ
ース基板上に、出力光強度のモニター用フォトダイオー
ドを配置したことを特徴とする請求項４の微小揺動ミラ
ー素子を用いたレーザ走査装置。
【請求項８】前記周期的に変化する駆動電圧は、最大
値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次い
で上昇するアナログ的な非線形波形の電圧であることを
特徴とする請求項４の微小揺動ミラー素子を用いたレー
ザ走査装置。
【請求項９】前記周期的に変化する駆動電圧は、最大
値と最小値の間を時間と共に非線形関数的に下降し次い
で上昇するアナログ的な非線形波形の電圧でパルス振幅
変調されて得られたものと同一のデジタル的な非線形波
形の電圧であることを特徴とする請求項４の微小揺動ミ
ラー素子を用いたレーザ走査装置。